某水蓄冷空調系統的設計及經濟性分析

胡 濤 管海鳳 董凱軍 周 群

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某水蓄冷空調系統的設計及經濟性分析

胡 濤1管海鳳2董凱軍2周 群3

（1.三峽大學機械與動力學院 宜昌 443002；2.中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640；3.廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010）

介紹了一種應用于廣東地區某大型工業廠房工藝用冷的水蓄冷空調系統的設計方法。該工程竣工后，根據實際運行數據進行了詳細的經濟性分析計算，結果表明：相比常規空調水蓄冷空調系統的月節費率為34.8%～78.2%，總平均節費率為65.1%，實際運行4個月為企業節省用電費用74.3萬元。

大工業廠房；工藝冷卻；水蓄冷；節費率；運行經濟性分析

0 引言

水蓄冷技術一般是在夜間電網低谷時運行制冷機，把電能轉換為冷量并以低溫冷水形式儲存在蓄冷結構或容器中，在白天電網峰電時再將儲存的冷量取出釋放出來供末端用戶使用，在峰谷電價政策的前提下，既能達到電力移峰填谷，又能實現運行費用降低的目的[1]。水蓄冷技術不僅可移峰填谷降低夏季空調用電對電網高峰負荷的沖擊，同時降低運行費用，而且其初投資低，還可以利用建筑物消防水池改造成蓄冷槽節省占地面積與投資成本，因此水蓄冷技術在國內外得到廣泛的應用和推廣[2-8]。

1 工程概述

為了直觀展現水蓄冷系統的經濟性優勢，下面結合廣東地區某大型工業廠房新建水蓄冷空調系統進行分析。該水蓄冷空調系統總裝機容量4000Rt。空調系統的主要負荷為生產工藝冷卻，全年且24小時不間斷供冷，其中尖峰負荷一般出現在11:00-12:00，14:00-15:00兩個時段，尖峰負荷為3468RT，約12200kW；設計日總冷負荷為44054RT·h，約154940kWh。空調系統設計的供回水溫度7/12℃，蓄冷罐的有效利用溫差7.0℃（蓄水溫度4.0℃，供冷回水11℃。）

1.1 水蓄冷空調系統的構成

如圖1所示，該廠房工藝冷卻用水蓄冷空調系統由1臺2000RT（CH-1）及2臺各1000RT（CH-2、CH-3）約克離心式冷水主機組成，其中CH-1機組僅常規供冷使用，CH-2機組既可用于常規供冷也可作為蓄冷主機運行，CH-3機組夜間蓄冷專用其余時間可用于常規供冷的補充，主要技術參數見表1。空調水系統包括4個循環回路：由冷水主機、冷凍水泵和末端釋冷裝置構成的冷凍水循環回路，為閉式回路；由冷水主機、冷卻水泵和室外冷卻塔構成的冷卻水循環回路，為開式回路；由蓄冷罐、蓄冷水泵和冷水主機構成的蓄冷循環回路，為開式回路；由蓄冷罐、放冷水泵和冷水主機構成的放冷循環回路，為開式回路。

圖1 水蓄冷空調系統工藝結構圖

表1 主要設備和技術參數

該系統的水蓄冷罐為冷水專用型，根據現場的實際條件，蓄冷水罐的外形尺寸為R24m×H17m，現場安裝采取分層整體焊接方式完成，外部進行防水保溫，竣工后完整外形見圖2，考慮布管及水膨脹空間，蓄水罐容積按7500m3，設計蓄冷量約17415RT·h，約占設計全日總負荷的39.5%。蓄冷罐內部采用“平行流”布水技術，設計結構簡圖如圖3所示，根據運行實測其斜溫層厚度約為0.9m，分層效果良好。所蓄的冷量優先在電價高峰期利用，根據平段負荷的情況，保證機組滿負荷的情況下，輔助進行部分釋冷運行，從而節省整個空調系統的運行費用。

圖2 水蓄冷罐竣工外觀圖

圖3 水蓄冷罐內部結構簡圖

1.2 水蓄冷空調系統運行模式

該工程中，水蓄冷空調系統的運行模式有四種：冷水主機獨立供冷模式、蓄冷罐獨立供冷模式，蓄冷管與冷水主機聯合供冷模式、蓄冷模式；其中00:00-08:00期間為蓄冷模式運行時段，期間末端仍有負荷需求由常規供冷主機供給；8:00-24:00根據當日負荷率進行冷水主機獨立供冷模式、蓄冷罐獨立供冷模式，蓄冷管與冷水主機聯合供冷模式三種模式的合理切換，實際各負荷日采取的運行模式由下文運行策略確定。

1.3 水蓄冷空調系統運行策略

水蓄冷空調系統的負荷根據國家現行《采暖通風與空氣調節規范》[9]（GB50019-2003）的有關規定以及實際用戶的需求特點進行設計計算，并求得蓄冷—放冷周期內逐時負荷和總負荷，再結合當地實際峰谷電價確定系統在不同負荷下的運行策略，其中該地區峰谷電價見表2。

表2 峰谷電價表

設計時，將各負荷日按照當日負荷率情況分為四個區段，分別為：100%（當日負荷率70%～100%）、75%（當日負荷率50%～75%）、50%（當日負荷率25%～50%）、25%（當日負荷率0～25%）；這四個區段又對應于四種不同的運行策略，其區別見圖4-圖7。

圖4 設計負荷率100%運行策略

圖5 設計負荷率75%運行策略

圖6 設計負荷率50%運行策略

圖7 設計負荷率25%運行策略

2 運行數據分析

為了比較該水蓄冷系統竣工后實際為企業創造的經濟效益，計算時以實際運行情況為依據，將水蓄冷轉移負荷使用常規供冷等量替換，同時結合當地實行的峰谷電價標準，真實計算出采用該水蓄冷空調系統后企業所節省的運行費用。詳細計算方案如下所述：

（1）制冷站總用電量=制冷站低谷用電量+制冷站平段用電量+制冷站高峰用電量；

注：各電量數據由相關設備供電側智能電表直接數據采集獲得。

（2）常規系統應用電量=主機蓄冷時段總用電量×主機電量轉移系數94%+（蓄冷主機配套冷卻水泵用電量+冷卻塔用電量）×蓄冷系統冷卻水泵及冷卻塔電量轉移系數97%；

常規系統應用電量（高峰）=高峰時段放冷量÷板換總放冷量×常規系統應用電量；

常規系統應用電量（平段）=平段時段放冷量÷板換總放冷量×常規系統應用電量；

注：①蓄冷泵是蓄冷系統設備，對于常規系統是額外設備，常規系統應用電量不包括此電量；②主機電量轉移系數：蓄冷時，主機蓄冷工況出口溫度為4℃，相比常規工況出口溫度7℃時工作效率下降約6%（出口溫度每下降1℃，效率降低2%～3%），故計算常規系統應用電量時，主機電量應進行折算，此折算系數定為主機電量轉移系數。本系統主機電量轉移系數約定為94%；③蓄冷系統冷卻水泵及冷卻塔電量轉移系數：蓄冷系統產生的冷量在儲存、板換過程中有冷量損失，儲存損失1%，板換損失2%，計算時總損失取3%，故用常規系統時提供相同冷量給末端時，冷卻水泵及冷卻塔耗電量只有蓄冷系統的97%，即可取蓄冷系統冷卻水泵及冷卻塔電量轉移系數為97%；④冷卻塔用電量：低谷蓄冷時，按冷站內供冷量與蓄冷量的占比，分攤冷卻塔用電量。

（3）常規系統應付電費=（制冷站低谷用電量-蓄冷用電量）×低谷電價+（制冷站平段用電量-平段放冷泵用電量+常規系統應用電量（平段））×平段電價+（制冷站高峰用電量-高峰放冷泵用電量+常規系統應用電量（高峰））×高峰電價；

（4）實付電費=制冷站低谷用電量×低谷電價+制冷站平段用電量×平段電價+制冷站高峰用電量×高峰電價；

（5）月節費率=1-月實付電費÷月常規系統應付電費；

總節費率=1-總實付電費÷總常規系統應付電費；

該系統自2015年4月開始正常投入使用，筆者連續跟蹤進行為期4個月的系統運行經濟性分析，數據采集通過BMS系統自動進行，并定期將采集的數據進行轉存分析處理。獲得的數據包括冷水主機、水泵、板式換熱器兩側進出口流量與溫度、水蓄冷罐豎直方向溫度分布、冷凍水流量與溫度、冷卻水流量與溫度、蓄放冷流量與溫度以及所有耗電設備的實時功率與耗電量等。將所有數據代入前文詳述計算公式整理后可繪制出圖8所示運行費用對比曲線。由圖可見，實際各月運行時實付電費均小于應付電費，隨時間推移差別不斷擴大，差額部分為各月節省的運行電耗費用，即直接經濟優勢體現。按照約定標準計算出的運行實際支付電費與常規系統應支付電費比較后得到結論：4月月節費率在49%左右，5月月節費率約78%，6月月節費率約62%，7月月節費率約35%，各月的差別反應了不同月份蓄冷的使用量大小不同，計算期間總節費率為65%，其過程詳細結論數據見表3。

表3 水蓄冷空調系統實際運行經濟性分析

圖8 運行期間實付電費與應付電費對比

3 結論

水蓄冷系統是一種可有效平衡空調電力使用的系統，尤其針對晝夜冷負荷差別大或夜晚無冷負荷需求的場合，其不僅可以移峰填谷，而且用戶側可有效利用峰谷電價差的政策為自身帶來運行成本大幅降低的好處。本文對廣東地區某大型工業廠房工藝用冷新建的大規模水蓄冷系統的設計與實際運行數據進行了科學的分析與研究，結果表明該系統月平均節費率最低為34.8%，最高位78.2%，總節費率為65.1%，4個月總節約運行費用達到74.3萬元，總體經濟效益優秀。隨著峰谷電價政策的實施范圍不斷擴大，這種水蓄冷系統可在工程中大力推廣，并應用于各種場合。

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[9] GB 50019-2003,采暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2004.

Design and Running Economic Analysis of an Air Conditioning System with Water Cold Storage

Hu Tao1Guan Haifeng2Dong Kaijun2Zhou Qun3

(1.College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang, 443002;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou, 510640;3.Guangzhou Metro Design & Research Institute, Guangzhou, 510010)

A design approach of an air conditioning system with water thermal storage for process cooling of a large industrial building in Guangdong region is presented in this paper. After completion of the project, a detailed economic analysis and calculation on actual operation data is developed. The results show that the month economical rate of electricity charge with this water cold storage system is 34.8%～78.2% compared with traditional air conditioning system. And the total average economical rate of electricity charge is 65.1%. Moreover, this air conditioning system with water cold storage system also has saved 743 000 yuan for enterprise after four months of actual operation.

large industrial building; process cooling; water thermal storage; economical rate of electricity charge; running economic analysis

1671-6612（2017）02-188-06

TK9

A

廣東省自然科學基金項目（No. 2015A030310333）；廣東省省級科技計劃項目（No. 2015B090901012）；廣東省科技計劃項目（No. 2013A011404001）；佛山市院市合作項目（No. 2014HK100225）

2015-12-29

作者（通訊作者）簡介：胡 濤（1984-），男，博士，講師，E-mail：hutao@ctgu.edu.cn